حسگرهای هوشمند کشاورزی از خاک نیرو میگیرند
آرزو کیهان
گروه علم و فناوری
در کشاورزی دقیق و فناورانه، شبکهای گسترده از حسگرها برای اندازهگیری مداوم رطوبت، مواد مغذی و آلایندههای خاک استفاده میشود اما تأمین انرژی این حسگرها همواره چالشی جدی بوده است. باتریها نیازمند تعویض مداوم هستند و پنلهای خورشیدی هم در محیطهای آلوده یا کمنور کارایی مطلوبی ندارند. بنابراین کشاورزان نمیتوانند به عنوان مثال در یک مزرعه صد هکتاری، مدام باتری عوض کنند یا پنل خورشیدی را از خاک و گردوغبار پاک کنند.
این موضوع دستمایه تحقیق و مطالعه جدید دانشمندان دانشگاه نورثوسترن آمریکا شد. این محققان پس از مدتها مطالعه، سرانجام از توسعه نوعی پیل سوختی خبر دادند که برای تولید برق، بهجای باتری یا پنل خورشیدی، از میکروبهای طبیعی موجود در خاک استفاده میکند. این پیل سوختی که ابعادی در حد یک کتاب جیبی دارد، انرژی آزادشده هنگام تجزیه مواد آلی توسط میکروارگانیسمهای خاک را به جریان الکتریکی تبدیل میکند. پژوهشگران میگویند: این فناوری میتواند راه را برای نسل جدیدی از حسگرهای کممصرف، پایدار و کمهزینه در کشاورزی دقیق و پایش محیطزیست هموار کند و مشکل کشاورزان را درکشاورزی فناورانه و دقیق، حل کند. درواقع چنین حسگرهای زیرزمینی، بدون نیاز به تعویض باتری یا وابستگی به نور خورشید، میتوانند تنها با پایش و نظارت بر رطوبت خاک، انرژی مورد نیاز خود برای عملکرد مناسب را تأمین کنند.
خاک؛ منبعی پایانناپذیر برای انرژیهای کوچک
در این طرح، از آنچه «پیل سوختی میکروبی خاک» نامیده میشود استفاده شده است؛ سامانهای که مشابه یک باتری عمل میکند، اما بهجای واکنشهای شیمیایی متداول، از باکتریهایی بهره میبرد که بهطور طبیعی هنگام تجزیه مواد آلی، الکترون آزاد میکنند. حرکت این الکترونها در مدار، جریان الکتریکی تولید میکند.
«بیل ین» پژوهشگر اصلی پروژه، میگوید: «با توسعه اینترنت اشیا، تصور آیندهای با تریلیونها دستگاه هوشمند دور از ذهن نیست. نمیتوان همه این دستگاهها را با لیتیوم و فلزات سنگین و مواد سمی ساخت و باید به دنبال منابع انرژی جایگزین و پایدار باشیم و این طرح، دقیقاً پاسخگوست. تا زمانی که در خاک، مواد آلی برای تغذیه میکروبها وجود داشته باشد، این پیلهای سوختی میتوانند برای مدت بسیار طولانی فعال بمانند.»
به گفته محققان، ایده بهرهگیری از خاک بهعنوان منبع انرژی، بستر اصلی این پژوهش بوده است. هرچند پیلهای سوختی میکروبی خاک بیش از یک قرن قدمت دارند، اما به دلیل عملکرد غیرقابلاعتماد و وابستگی شدید به رطوبت، از آنها بهطور گسترده استفاده نشده بود.
پژوهشگران نورثوسترن با آزمایش چندین طرح مختلف طی دو سال، در نهایت با تغییر آرایش الکترودها به نتیجهای مهم رسیدند. در این طراحی جدید، آند، افقی و در دل خاک قرار میگیرد، در حالی که کاتد، عمودی است و تا سطح زمین بالا میآید. این ساختار باعث میشود بخش بالایی دستگاه همیشه به اکسیژن دسترسی داشته باشد و بخش پایینی، رطوبت کافی را حفظ کند. استفاده از روکش ضدآب و یک کلاهک محافظ نیز دستگاه را در برابر سیلاب و ورود ذرات خاک مقاوم کرده است.
به گفته پژوهشگران، نسخه نهایی این پیل سوختی در شرایط متنوعی آزمایش شده است؛ از خاک نسبتاً خشک گرفته تا محیطهای کاملاً غرقاب. نتیجه نشان داد تولید انرژی این پیل بهطور متوسط ۶۸ برابر بیش از مقدار لازم برای راهاندازی حسگرها بود و همچنین نسبت به نمونههای پیشین ۱۲۰ درصد دوام بیشتری نشان داد. این موفقیت نشان میدهد که این فناوری آماده است تا در مقیاس بزرگ و در مزارع به کار گرفته شود.
